Спектрофотометр — это прибор, используемый для измерения цвета и интенсивности света образца. Он работает, пропуская свет через призму или дифракционную решетку, чтобы разделить его на разные длины волн, а затем измеряя интенсивность каждой длины волны после того, как он проходит через образец. Это позволяет спектрофотометру определить, сколько света поглощается образцом на каждой длине волны, что показывает цвет образца и светопоглощающие свойства.
Вот основные компоненты и функционирование спектрофотометра:
В процессе работы спектрофотометр пропускает свет от источника через монохроматор, который сканирует по всему диапазону длин волн. На каждой инкрементной длине волны интенсивность прошедшего через образец света измеряется детектором и отправляется на считывание. Затем строится спектр поглощения, показывающий зависимость поглощения от длины волны.
Спектрофотометры измеряют цвет на основе того, сколько света поглощает образец на разных длинах волн в видимом спектре. Видимый спектр находится в диапазоне длин волн от 380 до 750 нм и содержит все цвета света, которые может обнаружить человеческий глаз.
Когда белый свет проходит через цветной образец, он предпочтительно поглощает определенные длины волн в зависимости от химического состава образца. Это избирательное поглощение длин волн заставляет свет выглядеть как цвет, наблюдаемый при достижении глаза. Например:
Измеряя пропускание во многих узких диапазонах длин волн, спектрофотометр создает спектр, показывающий, какие длины волн поглощаются и в какой степени. Этот количественный спектр поглощения действует как «отпечаток пальца» для определения характерного цвета образца.
Чтобы математически задать цвет, измерения поглощения на ключевых длинах волн используются для расчета значений цветовых координат. Существует несколько систем цветового пространства, которые используют спектрофотометры:
Эта система основана на том, как человеческий глаз воспринимает цвет, используя воображаемые основные цвета X, Y и Z. Она формирует основу для многих других цветовых пространств. Спектрофотометры измеряют кривую отражения или пропускания, затем вычисляют трехцветные значения X, Y, Z путем интегрирования произведения спектральной кривой образца и функций сопоставления цветов для X, Y и Z.
Это цветовое пространство описывает цвет с помощью яркости (L) и двух цветовых каналов a и b. L варьируется от 0 (черный) до 100 (белый). Ось a представляет собой зеленый к красному, а b представляет собой синий к желтому. CIE Lab допускает равномерное цветовое пространство, где заданное расстояние представляет собой примерно одинаковую воспринимаемую разницу в цвете.
Похожая система на CIE Lab, которая описывает цвет с помощью L для яркости, u для оси красно-зеленый и v для оси сине-желтый. Ключевое отличие от CIE Lab заключается в том, что он стремится быть перцептивно однородным, даже когда цвета становятся очень яркими или темными, обеспечивая лучшее расстояние на крайних уровнях светлоты.
Это представляет собой количество голубых, пурпурных, желтых и черных чернил, необходимое для соответствия цвету, и обычно используется в печати. Программное обеспечение для спектрофотометра может преобразовывать спектр поглощения в значения CMYK. Каждый цвет представлен по шкале от 0 до 100%, причем более высокие значения означают, что требуется больше этих чернил.
Эта система описывает цвета в терминах красного, зеленого и синего света по шкале от 0 до 255. Это аддитивный цвет, используемый для электронных дисплеев. Система спектрофотометра может вычислять значения RGB, соответствующие измеренному спектру поглощения.
| Цветовое пространство | Применение |
|---|---|
| CIE XYZ | Основа для многих других цветовых систем |
| CIE Lab | Единообразное представление цветового различия |
| CIE Luv | Перцептуально однородное цветовое пространство |
| CMYK | Формулы печатных красок |
| RGB | Цвета электронного дисплея |
Это позволяет численно определенному цвету быть точно переданы и воспроизведены на различных носителях. Цветовые данные спектрофотометра также можно использовать для проверки постоянного качества цвета в производстве.
Спектрофотометры могут измерять отраженный свет, проходящий свет или оба в зависимости от модели. Основные режимы измерения:
В режиме отражения спектрофотометр освещает образец светом и измеряет процент каждой отраженной длины волны. Это используется для непрозрачных твердых образцов, таких как окрашенные поверхности, ткань, бумага и пластик. Интегрирующая сфера помогает точно собирать отраженный свет.
В режиме пропускания свет проходит через образец в кювете или держателе пленки, а спектрофотометр измеряет прошедшую фракцию. Это полезно для прозрачных жидких образцов, таких как чернила, красители и биологические анализы.
Это измеряет свет, отражающийся от образца, подложенного под неотражающую черную поверхность, объединяя аспекты режимов пропускания и отражения. Это позволяет измерять цветные прозрачные пленки или пластиковые образцы.
Это использует разделенный луч, один из которых проходит через образец, а другой — через эталон. Интенсивность эталонного луча сравнивается с интенсивностью луча образца для автоматического учета колебаний лампы. Он повышает точность количественных измерений поглощения.
| Режим | Типы образцов |
|---|---|
| Отражение | Непрозрачные твердые тела |
| Пропускание | Прозрачные жидкости |
| Пропускание | Прозрачные пленки |
| Двухлучевой | Точное количественное поглощение |
Спектрофотометры широко используются во многих отраслях и областях для анализа цвета и светопоглощающих свойств материалов:
Спектрофотометры позволяют производителям объективно измерять постоянство цвета своей продукции для соблюдения стандартов контроля качества. Сюда входят такие приложения, как:
Исследователи используют спектрофотометры для анализов и количественного анализа в таких областях, как:
Спектрофотометры используются в отраслях, где требуется точная цветопередача, в том числе:
Установленные на спутниках спектрофотометры измеряют свет, отраженный от поверхности земли, что позволяет составлять карту характеристик земли, таких как растительность и содержание минералов.
В пульсоксиметрии различия в поглощении света оксигенированным и дезоксигенированным гемоглобином позволяют измерять уровень кислорода в крови.
При выборе спектрофотометра следует учитывать несколько технических характеристик:
Настольные спектрофотометры обеспечивают лучшую производительность, чем портативные ручные приборы. Более дорогие исследовательские системы предлагают очень тонкое разрешение по длине волны вплоть до 0,1 нм и высокую фотометрическую точность.
Для обеспечения точности измерений спектрофотометрам необходима периодическая калибровка. Это учитывает эффекты старения ламп, дрейфа и несоответствия базовой линии. Калибровка включает измерение эталонных источников света или стандартных цветных плиток с известными свойствами.
Для пропускания пустые образцы, такие как воздух или вода, обеспечивают 100%-ные эталоны пропускания. В режиме отражения используются сертифицированные стандарты отражения со значениями, прослеживаемыми до NIST. Некоторые спектрофотометры также могут выполнять внутреннюю самокалибровку. Правильная стандартизация подтверждает, что прибор работает в соответствии со спецификациями, и позволяет при необходимости выполнять корректировку.
Спектрофотометр — это универсальный прибор, который использует спектральный анализ света, проходящего через образец, для количественной оценки его цветовых и поглощательных характеристик. Измеряя степень поглощения света на разных длинах волн, он создает уникальный спектральный отпечаток цвета образца. Эти данные можно использовать для обеспечения контроля качества цвета, точного соответствия цветов, идентификации материалов, проведения химических анализов и т. д. При надлежащей калибровке и стандартизации спектрофотометры обеспечивают высококоличественное измерение цвета в таких отраслях, как производство, текстиль, полиграфия, косметика, пищевая промышленность, химия, биология и медицина.